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专利摘要:
公开号:WO1983000969A1 申请号:PCT/JP1982/000342 申请日:1982-08-27 公开日:1983-03-17 发明作者:Corporation Sony 申请人:Takeshita, Kaneyoshi;Hashimoto, Takeo; IPC主号:H01L27-00
专利说明:
[0001] 明 [0002] 固体-撮像装 [0003] 技術分野 - こ の発明は、 電荷転送素子を用いて構成された固体 撮像装置に関 し、 よ ] 詳細には、 基本的にはイ ン タ ー ラ イ ン耘送型であ 、 才 一 バー フ ロ ー · ド レ イ ンが設 細 / [0004] けられる こ と な ぐ ブル ー ミ ン グ現象ゃス ミ ァ現象が抑 £される よ う に な された、 改良された固体撮像装置に 関する。 [0005] 背景技術 [0006] 電荷結合素子 (チ ャ ー ジ · カ ッ プル ド · デ ィ バ イ ス、 以下、 C C D と い う) 等の電荷転送素子の電荷転送動 作を応用 した固体撮像装置には、 大別 して、 フ レ ー ム 転送型の も の と ィ ン タ ー ラ ィ ン転送型の も の と があ 、 いずれも 、 小型軽量で、 低消費電力であ 、 かつ、 信 頼性が高い等々 の優れた点を有 してお 、 将来性豊か な撮像装置であ る。 しか しながら、 こ の よ う 長所の 反面、 ま た、 ブル ー ミ ン グ現象ゃ ス ミ ア.現象に関 して 解決されるべき 問題が残存 している も ので も あ る。 [0007] ブ ル 一 ミ ン グ現象ゃス ミ ァ現象に よ る撮像出力再生 画像の劣化の軽減策は、 既にい く つか提案されている。 例えば、 ブル 一 ミ ン グ現象の抑 Eに は、 C C D を利用 した固体撮像装置、 即ち、 C C D撮像装置に、 受光時 に受光素子部の蓄積容量を超えて溢れ出す過剰電荷を 排出するためのォ一バ一 フ ロ ー · ド レ イ ンを設ける こ とが、 劾杲のあ る手段であ る。 し力 し、 この よ う なォ — バ — フ ロ ー · ド レ イ ンを設ける こ とは、 C C D撮像 装置内の受光素子部の各々 の面積を小な ら しめ、 また、 その集積度を低下せしめる こ とに ¾ 、 撮像感度の低 下や解像度の低下を も た らす欠点を伴う 。 [0008] そ こ で、 オ ー バー フ ロ ー ' ド レ イ ンを設ける こ と な く 、 ブル ー ミ ン グ現象ゃ ス ミ ア現象を抑 BEで き る も の と して、 イ ン タ ー ラ イ ン転送型 ¾形成する C C D撮像 装置に於ける受光 · 垂直転送部と水平転送部との間に、 フ レ ー ム転送型を形成する C C D撮像装置に於いて設 けられる如 く の蓄積部を設け、 垂直転送部中の信号電 荷を高速転送してこの蓄積部へ移 し、 空になった垂直 転送部を受光期間にオ ー バ 一 フ ロ ー · ド レ イ ン と同様 に機能させる よ う に した、 イ ン タ 一 ラ イ ン転送型を発 展させた も のが提案されている。 [0009] こ こ では、 斯かる イ ン タ ー ラ イ ン転送型を発展させ た固体撮像装置 ¾ ハ イ ブ リ ッ ド転送型の固体撮像装置 と呼ぶこ とにするが、 このハ イ ブリ ッ ド.転送型の固体 撮像装置に於いては、 受光素子部か ら垂直転送'部へ読 み出された信号電荷は、 蓄積部へ高速垂直転送されて、 蓄積部か ら水平転送部へ各水平ブ ラ ン キ ン ク'期間に相 当する期間毎に転送される。 そ して、 空に ¾つた垂直 [0010] ¾送部は受光期間に於いて、 受光素子部か らの過剰電 [0011] O PI 荷ゃ受光に よ 垂直転送部に流れ込む不要電荷に一対 し てオーバ一 フ ロ ー · ド レ イ ン と しての役割 ¾果 し、 ま た、 受光期間後の受光素子か ら垂直転送部への信号 電荷の読出 しが行われる読出 し期間に先立って、 垂直 転送部に於ける不用電荷の掃出 し転送が行われるので、 垂直転送部か ら蓄積部へ転送される信号電荷に不要る 電荷が混入する こ と が く 、 しか も 、 垂直転送部に於 ける信号電荷の蓄積部への転送は高速で短時間になさ . れるので、 垂直転送部が信号電荷を転送 している期間 に於ける不用電荷の流入が少と ¾ る。 従って、 ブル ー ミ ン グ現象ゃス ミ ァ現象が輊減された撮像出力信号を 得る こ とカ で き る。 . [0012] しか しながら、 斯かる ハ イ ブ リ ッ ド転送型では、 上 述の如 く の垂直転送部に於ける不甩電荷の掃出 し ¾送 は、 信号電荷の蓄積部への耘送方向と は逆の方向に高 速で行われる こ とが必要 と ¾ 、 こ の た め垂直耘送駆 動系の構成及び動作が複雑にな る欠点があ る。 ま た、 垂直耘送部での電荷転送時に於ける過剰電荷対策のた め受光素子部や垂直転送部に余分 ¾取扱い電荷容量を 持たせる こ とが必要 と な ] 、 最大取扱い電荷量の一部 [0013] (通常 以下) しか信号電荷と し得 ¾い と い う 欠 点 ¾ 0 [0014] そこ でこの発明は、 上述の如 く の従来の固体撮像装 置に於ける問題に鑑みて、 檮成の改良及びそれに伴う 動作に於はる改良がはか られる こ と に よ 、 上述した [0015] OMPI [0016] V/1PO ハ イ ブ リ ッ ド転送型の固体撮像装置の長所を備え、 し か も 、 従来のハ イ ブ リ ッ ド転送型の 固体撮像装置で必 要 と された高速掃出転送が不要 と されて垂直 ¾送駆動 系が簡易化され、 かつ、 信号電荷容量が大 と されて、 撮像出力信号の ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジを拡大する こ とが でき る よ う にされた固体撮像装置を提供する こ と を 目 的 とする も のであ る。 [0017] - 発明の開示 [0018] この発明は、 イ ン タ ー ラ イ ン転送型を発展させたハ イ ブ リ ッ ド転送型の固体撮像装置と 同様に、 受光素子 部、 垂直転送部、 読出 ゲー ト 部、 蓄積部、 水平耘送部 及び出力部を配 した固体撮像装置に於いて、 垂直転送 部が読出 ゲー ト 部を含む高不純物濃度領埭で包囲され る よ う に構成 し、 受光素子部に得 られる信号電荷が垂 直転送部に読み出 される読出期間以外の勤作期間に於 いて、 上述の読出 ゲー ト 部及び他の垂直転送^の周辺 部がア キュ ム レ 一 シ ヨ ン状態にあ る よ う に る し、 受光 素子部に発生する過剰電荷の垂直転送部への流れ込み を防止する よ う にする。 この よ う にされた この発明に 係る 固体撮像装置は、 オ ー バ ー フ ロ ー · ド レ イ ン を設 ける こ と ¾ く ブル ー ミ ン グ現象ゃ ス ミ ァ現象の発生を 効果的に回避する こ と がで き るので、 高感度、 高痹像 度で良質の撮像出力信号が得 られる も の と な ] 、 しか も 、 従来の ハ イ プ リ ッ ド転送型の装置に於いて必要 と る る高速掃出転送動作は必要 と され いので、 垂直転 - 送駆動系が極めて簡易化された も の と な る。 ま た、 過 剰電荷ゃ不甩電荷の垂直転送部への流入が極めて小 る も の と される の で、 受光素子部や垂直転送部の 信号 電荷に対する取扱い電荷容量を大 と する こ と がで き 、 拡大されたダイ ナ ミ ッ ク レ ン ジを も つ撮像 出力 信号を 得る こ と ができ る も の と な る。 [0019] 図面の簡単 ¾説明 [0020] 第 / 図は こ の発明に係る 固体撮像装置の一例を示す 概略平面図、 第 =2 図は第 / 図に示される装置の構成の 詳細を示す部分拡大平面図、 第 J 図は第 図の in — m に従 う 断面図、 第 図は こ の発明に係る 固体撮像装置 に使用される駆動信号の一例 ¾示す波形図であ る。 [0021] 発明 ¾実施する ための最良の形態 [0022] 以下、 図面を参照 して、 . こ の発明の好ま しい実施例 を詳細に説明する。 [0023] ' 第 / 図は こ の 発明に係る 固.体撮像装置の一例を示 し、 この例に於いては、 水平列及び垂直列を形成 して配さ れた複数の受光素子部 / ど受光素子部 / の垂直列に沿 つて配された複数列( 、 例えば、 C C D 群で形成され た垂直転送部 =2 と を含み.、 各受光素子部. / の垂直列 と これに対応する 垂直転送部 と の間の位置に設け られ た読出 ゲ ー ト部 J が配されて成 る受光 · 垂直転送部 [0024] と 、 例えば、 C C D 群で形成された水平転送部 と 、 水平転送部 に結合 した 出 力部 ^ と 、 受光 · 垂直転送 部 と 水平転送部 と の 間に配された他の C C D 詳で f _O PI έ - 成る蓄積部 7 と力 半導体基体上 設け られている。 蓄積部 Ί には各垂直転送部 =2 の他端が結合 してお ]) 、 受光素子部 / の水平列の数に対応する 数の蓄積 · 転送 部の水平列 が形成されている。 さ らに、 出 力部 か ら 信号出力端子 a が導出されてい る。 そ して、 受光 素子部 / の垂直列以外の部分は、 遮光層 ? で覆われて いる。 垂直転送部 < 及び蓄積部 7 には、 夫 々 、 所定の 垂 11転送ク ロ ッ ク 信号が供給され、 ま た、 水平転送部 には所定の水平耘送ク 口 ッ ク 信号が供給されて電荷 転送動作がな される。 そ して、 例えば、 / フ ィ ール ド 斯間内の受光に よ ] 各受光素子部 / に得 られた信号電 荷が、 読出 ゲー ト 部 3 に印加される読出パルス に よつ て垂直転送部 c2 へ読み出され、 これが垂直転送部 =2 か ら蓄積部 7 へ高速垂直転送されて、 受光素子部 / の各 水平列で得 られた信号電荷が蓄積部 7 の蓄積 · 転送部 の各水平列 へ移される。 こ の蓄積部 7 へ移された信 号電荷は、 各水平帰線期間に相当する期間ご と に / 水 平列 ずつ順次.水平転送部 へ転送され、 これが各水 平映像期間に相当する期間に出力部 έ へ水平転送され て、 信号出力端子 έ a に撮像出力が得 ら.れる。 [0025] 上述の受光 · 垂直転送部 は、 よ 詳細には、 第 2 図に示される如 く 、 受光素子部 / と これに対応する垂 直転送部 と の間に読出ゲ一 ト 部 ό " が形成されてお 、 受光素子部 / の読出ゲー ト 部 J 側 と は反対惻及び各受 光素子部 / 間にチ ャ ン ネ ル · ス 卜 ッ パ 一部 / が形成 されている。 そ して、 各受光素子部 / を単位と する単 位画素の水平列毎に水平方向に従び、 垂直転送部 =2上 ¾覆う垂直転送電極 / / が順次配されてい る。 こ の各 垂直 ¾送電極 / / は読出ゲー 卜部 J上に も 共通に配さ れていて読出ゲー ト 電極 も兼ねてお ] 、 ま た、 電荷蓄 積電極 / /a と電位障壁電極部 // b と か ら成っている。 [0026] 斯かる各垂直転送電極 / / には、 信号電荷を読み出す ための読出パ ル ス が供給され、 さ らに、 =2 相の垂直転 送ク ロ ッ ク 信号の一方及び他方が / つおき に供給され る Ο [0027] 第 J 図は第 =2 図の IE — ΠΙの断面を示 し、 こ こ に、 こ の発明に係る装置の特徵的構成が示されている。 即ち、 例えば、 P形半導体基体 / の一方の表面側に受光素 子部. / 及び垂直転送部《2 が N形半導体領域 と して形成. されているが、 こ こ で、 こ の垂直転送部 2 は埋込みチ' ヤ ン ネ ル型 C C D とされ、 その周囲を、 読出ゲー ト 部 [0028] J ¾含む高不純物濃度の P 形半導体領域 / J と チ ャ ン ネ ル · ス ト ッ パ ー部 / ひを形成する高不純物饞度の P 型半導体領域とで包囲されているのである。 そ して、 これら各部の上には絶縁層 /、 が配され.、 こ の絶縁層 / を介 して、 垂直転送部 =2 及び読出 ゲー ト 部 J上に、 読出ゲー ト 電極を兼ねる垂直転送電極 / / が配されて — いる。 [0029] 斯 く の如 く に構成された こ の発明に係る装置の一例 · の各垂直転送電極には、 例えば、 第 図に示される如 [0030] 一 OMPI ε ― [0031] く の駆數信号 0 / 及び 0 2 が、 / つおき に交互に'供給 される。 駆動信号 ø / は読出期間 T. r に読出 パ ル ス [0032] P r を 、 そ して垂直転送期間 T v に垂直転送ク 口 ッ ク 信号 P / を有 し、 受光期間 T i では負の電圧、 例えば、 [0033] — と る 信号であ ] 、 ま た、 駆動信号 0 2 は読 出期間 T r に読出パ ル ス P r をそ して垂直転送期間 [0034] T v には、 垂直転送ク ロ ッ ク 信号 / と は逆相の垂直 転送ク ロ ッ ク 信号 ? J を有 し、 受光期間 T i では、 羅 動信号 ? 5 / よ も 絶対値が小であ る負の電圧、 例えば、 — Vを と る信号であ る。 こ こ で、 読出 パ ル ス P r は —正の電 £、 例えば + V と されてお ] 5 、 ま た、 互いに 逆栢であ る =2 相の垂直転送ク ロ ッ ク 信号 ^ / 及び 2 は、 共に、 負の電 £範囲の パ ル ス列 と されてお D、 -例 えば、 高 レ ベ ル側を 一 V と し低レ ベ ル側を一 / V とする も の と されている。 [0035] 次に、 動作について述べる。 先ず、 垂直転送電極 [0036] / / に駆動信号 ø / 又は ø 2 の読出 パルス が供給され る読出期間 T r には、 読出 ゲー ト 部 ? の電位が高 く [0037] (深 ぐ) って、 受光素子部 / に蓄積さ れた信号電荷 が読出 ゲー ト 部 J ¾介 して垂直転送部 =2へ読み出され る。 続 ぐ 垂直転送期間 T v には、 各垂直転送電極 / / に垂直転送ク ロ ッ ク 信号 ! 及び φ ュ が / つお き に交 互に供給されて、 読み出された信号電荷の蓄積部 7へ の高速垂直転送が ¾ される。 そ して、 次に続 く 受光期 間で i に於いては、 垂直転送電極 / / に葸動信号 / [0038] OMPI 及び ø の負の電 ε (— / V及び一 V) が供給さ れ、 受光素子部 / では受光に よ る 信号電荷の蓄積が行 われる。 その後、 再び、 読出期間 T r と るつて以下上 述の動作が繰 ]) 返される。 [0039] こ こ で、 高不純物濃度の P形半導体領域であ る読出 ゲー ト 部 は、 正の電 £値 (十 V ) を も つ読出パ ル ス P r が印加される読出期間 T r 以外の垂直転送期間 T v 及び受光期間 T i に於いては、 負の電 E ( - S V 又は一 / V ) が印加されている こ と に な ] 、 正孔の 蓄積状態にあ るアキュ ム レ ー シ ョ ン状態にあ る よ う に されている。 これに よ ] 、 受光期間 T i に受光素子部 / に入射する過剰光に よ ]) 発生 した過剰電荷は、 ア キ ュム レ 一 シ ヨ ン状態にあ る読出ゲ一 ト 部 ¾含む垂直 転送部 =2 の周囲の 形半導体領域 / J の正孔濃度が半 導体基体 / 2 よ 高いので半導体基体 / 2 へ拡散 し、 垂直転送部 =2への流れ込みは極めて小と る る。 この と き 、 垂直転送部 =2 の方向に流れる擬信号電荷成分の う ち垂直転送部 =2 中に流れ込む も の の劐合は、 P を半導 体基体 / =2 の不純物濃度、 例えば、 S f 0し cnT3と し、 P+を P形半導体領域 / J の不純物濃度、 例えば、 2 X / 01。 CM— 3と する と 、 PZP+ と る ] 、 例えば、 [0040] p/p+ = Iハ 0 にすぎ ¾い 。 従って、 ォ一ノ、 *— フ ロ ー • ド レ イ ンを設ける こ と 〈 過剰電荷の垂直転送部 J への流入が効果的に防止される と と も に、 受光期間 [0041] T i に受光.素子部 / に蓄積された信号電荷を垂直 ¾送 一 OMH 麵 / 0 _ [0042] 部 =2へ読み出すに先立って、 垂直転送部 2 の不用'電荷 を排出する と い う 動作の必要が ¾ く ] 、 従来のハイ プリ ッ ド転送型の装置に於いて行われる如 く の読出期 間の直前の掃出転送は不要と される。 も ちろん、 垂直 転送部 c2 は遮光層で覆われているので、 光が直接入射 する こ とは 。 [0043] また、 受光期間 T i に於いては、 垂直転送部 2 には 各受光素子部 / に対応する.部分に絶 ¾!:の異なる負の 電圧 (一 / V と 一 V) が交互に固定バ イ ア ス と し て印加されている こ とに ¾るので、 転送動作が停止さ れて る と と も に、 電位の低い (浅い) 部分と高い [0044] (深い) 部分が交互に形成されてお ] 、 垂匼転送部 2 に僅かに流れ込んだ擬信号電荷は流れ込んだ場所に蓄 積され、 垂直転送部 内を移動する こ とがない。 従つ て、 これに よ ] 、 撮像出力信号に も とず ぐ 再生画像上 で棒状のパ タ ー ン と なって画質を劣化させる ブル ー ミ ン グ現象が生ずる こ とはない。 斯かる棒状パタ ー ンを 生ぜしめる ブル ー ミ ン グ現象が生ずるのは、 受光期間 [0045] T i に垂昼転送部 =2 に流入 した擬信号電荷が垂直転送 部 2の高い (深い) 部分を飽和させた場合で'あるが、 受光素子部 /への'過剰光に よ ]).発生 した揍信号電荷を ェ 0 と し、 この う ち半導体基体 / o2 の裏側 (受光素子 部 / 側とは反対側) へ流れる も のの割合 び とする と、 [0046] H転送部 へ流れ込む擬信号電荷 Io ' は ( / — な) [0047] + 0 と な ] 3、 こ こ で、 前述の如 く PZP+ = [0048] f OMPI . .. . - / /· ― [0049] / と し、 α を . とする と 1 0 ' = I / 0 0 . I 0 と な るので、 上述の垂直転送部 =2 の電位の高い (深い) 部 分を飽和させる擬信号電荷の : L 0 ク倍の擬信号電荷を 発生させる過剰光ま では、 棒状パ タ ー ンを生ぜしめる ブルー ミ ン グ現象の発生を防げる と い う 優れた ブル一 ミ ン グ現象抑圧効果 も つこ と にな る。 [0050] さ らに、 垂直転送期間 Τ ν に も読出ゲー ト 部 J には 負の電圧か *印力 [Iされていてア キュ ム レ ー シ ョ ン状態に あ 、 P 形半導体領域 / J が受光時と 同様の作用をな して、 垂直転送部 への擬信号電荷の流入が極めて僅 か ¾ も の と されるので、 垂直転送部。2へ流入 した擬信 号電荷が垂直転送される こ と に よ ] 生ずる、 再生画像 上に白い縦筋を生ぜ しめるス ミ ア現象 も著る し く 輊滅 される。 その え、 過剰電荷対策と して受光素子部 / や垂直転送部 =2 に余分な取扱い電荷量を持たせる とい う こ とが不要 と る る の で、 受光素子部 / や垂直転送部 o2 の取扱い電荷容量を全て信号電荷のために利用でき て、 撮像出力信号のダイ ナ ミ ッ ク レ ン ジを拡大する こ とができ るか、 あ るいは、 羅動信号の振幅を小 と して 駆動系の負担を輊減する こ とができ る。 [0051] お、 垂直転送部 =2 は埋込みチ ャ ン ネ ル型 C C D と されてい る の で、 垂直転送期間 T V に於ける電荷転送 効率は極めて優れている。 [0052] ¾お、 . こ の発明に係る固体撮像装置は、 上述の実施 例に限 られる も のではな く 、 この発明の要旨を逸脱 し / 2 - ない範囲で種々 の態様がと られて よいこ と勿論である C 例えば、 2 相垂直転送,駆動の も ののみな らず、 J 相も し ぐ は 相垂直転送駆動の も の も 上述と 同様に して得 る こ とができ る。 [0053] 産業上の利用可能性 [0054] 以上の如 く 、 こ の発明に係る固体撮像装置は、 簡易 化された垂直転送駆動系の も と に、 ブル ー ミ ン グ現象 ゃス ミ ア現象を伴う こ との ない、 極めて良質な撮像出 力信号が得られる も ので、 小型、 鎏量化され、 かつ、 消費電力が極めて少である、 使い易い高級テ レ ビジョ ン · カ メ ラ を構成するに最適である—。 [0055] O PI
权利要求:
Claims / 3 ― 請求の範囲 ' 半導体基体上に受光素子部 と、 垂直転送部と 、 上記 受光素子部と垂直転送部との間に設け られた読出ゲ— ト 部と、 蓄積部 と、 7j 平転送部と、 出力部とが配され て、 上記垂直転送部が上記読出 ゲー ト 部 ¾含む高不純 物饞度領域で包囲される よ う に構成され、 上記受光素 子部に受光期間に於いて得 られる 信号電荷が、 読出期 間に上記読出ゲー ト 部を介 して上記垂直転送部に読み 出され、 該信号電荷が上記垂直転送部か ら蓄積部へ高 速転送され、 該蓄積部に転送された信号電荷が水平転 送部に よ 出力部へ転送される よ う にされる と と も に、 上記読出期間以外の動作期間に於いて上記読出グー 卜 部及び上記垂直転送部の周辺部がアキュ ム レ ー シ ヨ ン 状態にあ る よ う にされた固体撮像装置。 霍 OMPI
类似技术:
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同族专利:
公开号 | 公开日 EP0086845A4|1985-06-06| EP0086845A1|1983-08-31| EP0086845B1|1988-10-12| US4663771A|1987-05-05| JPS5838081A|1983-03-05| DE3279119D1|1988-11-17|
引用文献:
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申请号 | 申请日 | 专利标题 JP56/135797810829||1981-08-29|| JP56135797A|JPS5838081A|1981-08-29|1981-08-29|Solid-state image pickup device|DE19823279119| DE3279119D1|1981-08-29|1982-08-27|Solid state image pickup device| 相关专利
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